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铁路隧道软弱围岩施工技术专题讲座目录一、隧道工程地质二、典型工程案例三、软弱围岩隧道变形机理四、软弱围岩隧道施工要点一、隧道工程地质（一）地壳与岩石（二）地质构造（三）隧道围岩分级（四）软弱围岩工程地质特性（一）地壳与岩石地壳是地球的表层，是地质学、工程地质学的主要研究对象。地壳和地球内部的化学元素，绝大多数是以化合物的形态存在，称为矿物。由一种或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体，称为岩石。岩石是各种地质作用的产物，是构成地壳的物质基础。岩石的分类根据岩石的成因，自然界的岩石可分为三大类：岩浆岩、沉积岩及变质岩。岩浆岩岩浆岩：岩浆作用形成的岩石，叫岩浆岩，岩浆岩又称火成岩。岩浆岩岩浆岩的产出形态：岩浆岩作用分为喷出作用、侵入作用，分别形成喷出岩、侵入岩（深成岩和浅成岩）。喷出岩形态有熔岩被、熔岩原、熔岩流；侵入岩形态有岩基、岩株，岩床、岩盆、岩墙、岩脉。岩浆岩长白山天池岩浆岩长白山天池是一座休眠火山，火山口积水成湖，夏融池水比天还要蓝；冬冻冰面像雪一样的白。四周被16座山峰环绕，仅在天豁峰和龙门峰间有一狭道池水溢出，飞泻成长白瀑布。长白山形成于1200万年前地质造山运动，经过多次喷发而拓展成了巨型的伞面体。当火山休眠时涌泉溢出，形成十余平方千米的浩瀚水面。天池像一块瑰丽的碧玉镶嵌在雄伟的长白山群峰之中，是中国最大的火山湖，也是世界上最深的高山湖泊。岩浆岩岩浆岩的矿物成分：浅色矿物：石英、正长石、斜长石、白云母等；暗色矿物：橄榄石、辉石、角闪石、黑云母。岩浆岩岩浆岩的分类：岩浆岩根据产状可分为侵入岩（浅成岩、深成岩）、喷出岩；根据化学成分（酸性氧化物SiO2含量）可分为酸性岩、中性岩、基性岩、超基性岩。岩浆岩岩浆岩的代表性岩石：喷出岩酸性岩中性岩基性岩超基性岩流纹岩粗面岩安山岩玄武岩少见浅成岩花岗斑岩正长斑岩闪长玢岩辉绿岩少见深成岩花岗岩正长岩闪长岩辉长岩橄榄岩辉岩主要矿物成分(10%以上)石英正长石斜长石正长石角闪石斜长石辉石斜长石橄榄石辉石岩浆岩花岗岩闪长岩正长岩灰长岩沉积岩沉积岩沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）在常温、常压条件下，由风化作用、生物作用和某些火山作用产生的物质经搬运、沉积和成岩等一系列地质作用形成的，在地球表面分布面积占75%，大洋底部几乎全部为沉积岩或沉积物所覆盖。沉积岩沉积岩沉积岩的原始状态近于水平，由于地壳运动的影响，改变了原始状态，部分岩层形成了倾斜岩层，我们习惯上把倾角小于5°的岩层称为水平岩层；把倾斜岩层中向一个方向倾斜，倾角又近于相等称为单斜岩层。沉积岩水平岩层倾斜岩层地质年代表变质岩变质岩变质岩是地壳内部原有岩石（岩浆岩、沉积岩和变质岩），由于受到高温、高压以及化学成分加入的影响，发生剧烈变化后而形成的新岩石。变质岩不仅具有自身独特的性质，还常保留着原来岩石的某些特点。变质岩变质岩的分类：变质岩按成因分为区域变质岩、接触变质岩和动力变质岩。区域变质岩指在大范围内，由于温度、压力和化学活动性流体等因素的综合作用下而产生的变质岩，如板岩、片岩、千枚岩、片麻岩等。（二）地质构造地质构造包括褶曲、断裂。褶曲1、褶曲及褶曲要素1.1、褶曲褶曲是层状岩石受力后所产生的弯曲变形现象。岩层向上弯曲，地层中间老，两边新为背斜；岩层向下弯曲，地层中间新，两边老为向斜。1.2、褶曲要素核部：褶曲中心部位的岩层。翼部：褶曲两侧部位的岩层。轴面：通过核部，大致平分两翼的假想平面。轴线：轴面与水平面的交线。枢纽：轴面与岩层面的交线。（最大弯曲点的连线）。褶曲褶曲1.3、褶曲分类按轴面的产状分类：平卧褶皱、倒转褶皱、斜歪褶皱和直立褶皱。褶曲1.4、褶曲的工程性质褶皱在形成的过程中，因地层受到强烈的拉伸和挤压，岩体一般较破碎；背斜顶部常发育一组张裂隙，利于地下水下渗，向斜核部的碗状构造利于地下水储存，因而褶皱部位地下水一般较发育；褶皱的形成往往伴生有断层；灰岩地区，褶皱核部岩溶往往也较发育。另外岩层褶皱时，由于层间滑动（如同一本书挤压弯曲时，页与页间产生相对滑动），在上下层转折端部位容易形成空隙，常为矿质填充提供条件，因而褶皱也是重要的储油、储气构造。褶曲褶皱断裂2、断裂构造构成地壳的岩体受构造应力作用发生变形，当变形达到一定程度后，岩体的连续性和完整性遭到破坏，产生各种大小不一的断裂，称为断裂构造，包括节理和断层。断裂2.1、节理节理（裂隙），是岩体受力断裂后两侧岩块没有明显位移的小型断裂构造。节理和岩层产状一样，用走向、倾向、倾角三要素来表示。断裂2.1、节理（1）节理的分类根据节理的成因，可分为原生节理和次生节理两大类。原生节理：是指岩石在形成过程中所形成的节理，如沉积岩在沉积和成岩过程中形成的层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等；岩浆岩中岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。次生节理：由于岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用而产生的裂隙。次生节理分布无规律，破坏岩体的完整，使岩体多成碎块。断裂玄武岩柱状节理福建省漳州市漳浦县南碇岛柱状节理：几组不同方向的节理将岩石切割成多边形柱状体，柱体垂直于火山岩的基底面。如熔岩均匀冷却，应形成六方柱状，上细下粗，二者由顶柱盘面隔开。断裂玄武岩柱状节理北爱尔兰“巨人之路”：位于北爱尔兰贝尔法斯特西北约80公里处大西洋海岸，安特里姆平原边缘的岬角，沿着海岸悬崖的山脚下，由总计约4万根六边形或五边形、四边形石柱组成8公里的海岸，石柱连绵有序，呈阶梯状延伸入海——被称为“巨人之路”是全球最著名的柱状玄武岩结构，是世界自然奇观。断裂张家界武陵源断裂张家界武陵源断裂节理断裂2.1、节理（2）节理对工程的影响岩体中的裂隙，除了使岩体的开挖较容易外，对岩体的强度和稳定性有不利的影响，特别是多种裂隙的不利组合，对隧道围岩的稳定性影响最大。断裂节理对工程的影响节理造成局部坍塌大型节理导致山体崩塌断裂2.2、断层断层是岩体破裂后，两侧岩块产生显著位移的断裂构造。断层的规模从几厘米到数千公里不等，对工程岩体的稳定影响有显著的区别。（1）断层要素：断层盘（上、下盘）、断层面、断层线1.下盘2.上盘3.断层面断裂2.2、断层（2）断层的分类：按断层两盘相对运动方向分类：正断层、逆断层、平移断层断裂2.2、断层（3）断层的产状及描述：同岩层、节理表述一样，用断层面的产状表示断层。正断层逆断层断裂断层断层断裂2.2、断层（4）断层的工程地质：由于断裂构造的存在，破坏了岩体的完整性，加速了风化作用、地下水的活动及岩溶的发育，表现为：降低了断层影响带岩体的强度和稳定性；断层带往往发育断层泥、糜棱岩等软弱岩体，且大多富水，隧道通过碎破碎带时易产生塌方、突泥、涌水；灰岩地区，断层破碎带附近岩溶一般发育；活动性断裂在新的地壳运动影响下，可能发生新的位移，造成隧道支护结构（上下盘间）的错位破坏。（三）隧道围岩分级1、铁路隧道围岩分级方法国内围岩分级方法有多种，但分级的原则基本相同，铁路隧道的围岩分级方法如下：分级因素及其确定方法围岩分级因素：由岩石坚硬程度与岩体完整程度两个因素确定。分级因素确定方法：岩石坚硬程度与岩体完整程度采用定性与定量指标两种方法确定。（三）隧道围岩分级1.1、岩石坚硬程度的划分岩石类别饱和单轴抗压强度Rc(MPa)代表性岩石硬质岩极硬岩＞60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅质岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩等变质岩硬岩30～60软质岩较软岩15～30泥岩、页岩、煤、石膏等沉积岩；千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等变质岩软岩5～15极软岩＜5（三）隧道围岩分级1.2、岩石完整程度的划分完整程度结构面特征结构类型岩体完整性指数（Kv）完整结构面1～2组,以构造型节理或层面为主,密闭型巨块状整体结构Kv＞0.75较完整结构面2～3组,以构造型节理、层面为主,裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.75≥Kv＞0.55较破碎结构面一般为3组,以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构,块石、碎石状结构0.55≥Kv＞0.35破碎结构面大于3组,多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开型为主，多有充填物碎石角砾状结构0.35≥Kv＞0.15极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构Kv≤0.15（三）隧道围岩分级2、隧道围岩基本分级级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度Vp（km/s）Ⅰ极硬岩，岩体完整；＞4.5Ⅱ极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整3.5~4.5Ⅲ极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整2.5~4.0Ⅳ极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结碎（卵）石土、大块石土，黄土（Q1、Q2）1.5~3.0Ⅴ软岩，岩体破碎至极破碎；极软岩及极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）一般坚硬、硬塑粘性土，潮湿的碎石土、粉土及黄土（Q3、Q4）1.0~2.0Ⅵ受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土＜1．0（四）软弱围岩工程地质特性（1）岩石强度低。根据我国现行规范标准，一般将单轴饱和抗压强度低于30MPa的岩石称为软质岩或软岩。软质岩主要包括未成岩的岩石以及含有软弱矿物的岩石。典型岩石有泥岩、砂岩、千枚岩、炭质板岩及绢云母片岩等。（四）软弱围岩工程地质特性（2）岩体破碎。受地质构造影响严重的坚硬岩石也可称为软弱围岩。若硬质岩石受到强烈的构造运动影响，导致节理、裂隙、断层等结构面发育，也会造成围岩强度降低、自稳性变差。（四）软弱围岩工程地质特性（3）围岩赋存环境差。隧道围岩一旦赋存于富水、高地应力等不良地质环境中将极易引起涌水、塌方等地质灾害。赋存于这些不良地质环境下的围岩亦可称为软弱围岩。（四）软弱围岩工程地质特性标段工程地质特点：标段内广泛分布石炭系板岩、砂岩及炭质板岩。受区域构造应力影响，节理裂隙发育。隧道开挖后，极易产生坍塌、掉块、围岩大变形等地质灾害。（四）软弱围岩工程地质特性搜狗百科：板岩一种浅变质岩。具板状构造。具变余泥质结构。由粘土质、粉砂质沉积岩或中酸性凝灰质岩石等岩石经过轻微变质作用形成。黑色或灰黑色。岩性致密，板状劈理发育。（四）软弱围岩工程地质特性搜狗百科：板岩板岩是区域变质作用的低级产物，温度和均向压力都不高，主要受应力作用的影响。常见类型有碳质板岩、钙质板岩、黑色板岩等；也可根据岩石的其他特点，如矿物成分、结构构造等，分为空晶石板岩、斑点状板岩、粉砂质板岩、硅板岩等。（四）软弱围岩工程地质特性搜狗百科：板状构造它是由泥质岩低级区域变质作用而成，泥质、粉砂质岩石受一定挤压后，沿与压力垂直的方向形成密集而平坦的破裂面，岩石极易沿此裂面(也是片理面)剥成薄板，故称板状构造。（四）软弱围岩工程地质特性搜狗百科：板状构造板状构造又称“板劈理”。是板岩特有的构造。劈理面常整齐而光滑，有时有少量绢云母、绿泥石等，显微弱的绢丝光泽。二、典型工程案例（一）兰渝铁路木寨岭隧道兰渝铁路是一条由兰州至重庆的客货共线双线电力牵引铁路，总里程886公里（兰州站——重庆站），设计旅客列车速度为160-200km/h。兰渝铁路于2008年9月开工，2017年9月实现全线开通运营。地形地貌工程概况木寨岭隧道位于甘肃省定西市岷县境内，隧道结构为双洞单线分离式，左线长19095m，右线长19115m，隧道线间距40m。共设8座辅助坑道（6座无轨斜井、2座有轨斜井），采用钻爆法施工。隧道穿越炭质板岩、灰岩及多条断裂带，存在软岩、岩溶水、断层等不良地质，其中洞身穿越板岩及炭质板岩地段比例达46.53%，且地层具高地应力特性，经测试最大水平应